יבמ מכריזה על פריצת דרך בתחום השבבים: שבבים מפחמן

רבים מאמינים כי ננו-שפופרות פחמן תחלפנה יום אחד בעתיד את טכנולוגיית הסיליקון השולטת בתחום המוליכים למחצה, פיתוח שיוכל למזער עוד יותר את מבנה השבבים

חוקרים מתאגיד יבמ הדגימו גישה חדשנית לננו-טכנולוגית פחמן, שלטענתם סוללת את הדרך לייצור מסחרי של שבבים הכוללים בתוכם טרנזיסטורים המורכבים מננו-שפופרות פחמן.

רבים מאמינים כי ננו-שפופרות פחמן תחלפנה יום אחד בעתיד את טכנולוגיית הסיליקון השולטת בתחום המוליכים למחצה, פיתוח שיוכל למזער עוד יותר את מבנה השבבים. לננו-שפופרות פחמן יש תכונות חשמליות טובות יותר מאשר לסיליקון, במיוחד עבור בניית התקני טרנזיסטורים ננומטרים.

תאגיד יבמ טוען כי מדעניו הצליחו, לראשונה אי-פעם, לשלב יותר מעשרת אלפי טרנזיסטורים פעילים של ננו-שפופרות בתוך התקן יחיד וזאת בעזרת תהליכים הנפוצים בתעשיית המוליכים למחצה. עד עתה, לדברי יבמ, מדענים הצליחו למקם מאות אחדות בלבד של התקני ננו-שפופרות פחמן כל פעם, כמות שרחוקה מלענות על הדרישות עבור יישומים מסחריים. לדברי התאגיד, הגישה החדשנית שלהם סוללת את הדרך לייצור מעגלים הכוללים בתוכם מספר גדול של טרנזיסטורים מסוג ננו-שפופרות פחמן בנקודות מוגדרות מראש על גבי המשטח. בסופו של דבר, טוענים החוקרים, יידרשו למעלה ממיליארד טרנזיסטורים מסוג ננו-שפופרות פחמן בהתקן יחיד לשם כניסה לזירה המסחרית.

"המוטיבציה לעבוד על טרנזיסטורים מסוג ננו-שפופרות פחמן טמונה בכך שבממדים ננומטרים זעירים במיוחד מבנים אלו עולים בביצועיהם על טרנזיסטורים המורכבים מכל חומר אחר," אומר מנהל מחלקת מדעי הפיזיקה במעבדת המחקר של התאגיד. "יחד עם זאת, עדיין יש צורך להתמודד עם אתגרים לא קטנים בתחום כדוגמת רמת הניקיון הגבוהה ביותר הנדרשת של ננו-שפופרת הפחמן ומיקום מדויק ברמה הננומטרית. הצלחנו להתקדם מאוד בשתי סוגיות אלו."

מדענים מרחבי העולם כולו רותמים את המבנים המכונים ננו-שפופרות פחמן, שמוצאן בעולם הכימיה, עבור יישומים המשתרעים החל ממעגלים משולבים, התקני אחסון והמרת אנרגיה וכלה בחישה ביו-רפואית ובהרצפת דנ"א.

תאגיד יבמ מודה כי עדיין קיימים אתגרים ממשיים המונעים מננו-שפופרות פחמן מלהפוך לטכנולוגיה מסחרית, כולל רמת הניקיון ושיבוץ ההתקנים עצמם על גבי המצע. באופן רגיל, ננו-שפופרות פחמן מגיעות בצורת תערובת של חומרים מתכתיים ומוליכים למחצה וחייבים למקמן באופן מושלם על גביי משטח השבב על מנת לקבל מעגלים חשמליים מתפקדים. על מנת שההתקן יפעל כהלכה יש צורך בהרחקה מוחלטת של ננו-השפופרות המתכתיות וזאת בכדי למנוע פגמים בשלמות המעגלים. על מנת להגיע לרמה מסחרית, אומרים חוקרי יבמ, זה חיוני לאפשר בקרה מוחלטת על המיקום והסידור של ננו-שפופרות הפחמן על גביי המצע.

על מנת להתגבר על מהמורות אלו, החוקרים של יבמ פיתחו שיטה, המבוססת על כימייה של מחליפי יונים, המאפשרת מיקום וסידור מדויק ומבוקר של ננו-שפופרות הפחמן על גביי המצע תוך התארגנות דחוסה שלהן. התהליך כרוך בערבוב של ננו-שפופרות הפחמן יחד עם חומר פעיל שטח – סוג של חומר דמוי סבון – הגורם להן להתמוסס במים. מצע המורכב משני סוגי תחמוצות, תחמוצת הפניום ותחמוצת סיליקון, המכיל בתוכו תעלות שעברו התאמה כימית, מוטבל בתוך תמיסה של ננו-שפופרות פחמן. בתגובה זו ננו-השפופרות נקשרות באופן כימי לאזורים של תחמוצת ההפניום בעוד ששאר המשטח נותר ללא קישור.

רבים סבורים כי יכולת המזעור של טרנזיסטורים המורכבים מסיליקון מתקרבת למגבלותיה הפיזיקליות. ממדיהם ההולכים וקטנים של הטרנזיסטורים – המגיעים לקנה מידה ננומטרי – מונעים רווח עתידי מבחינת הביצועים וזאת בשל אופיו של החומר סיליקון ובשל חוקי הפיזיקה עצמם. תוך מספר שנים, מאמינים חוקרים רבים, שיטת המזעור הרווחת של טרנזיסטורים מסיליקון תגיע לקיצה.

מנגד, ננו-שפופרות פחמן הן יריעות חד-אטומיות של פחמן המגולגלות לכדי שפופרת. ננו-שפופרת הפחמן יוצרת את הליבה של התקן הטרנזיסטור שיוכל לפעול בדומה לטרנזיסטור הסיליקון הנוכחי, אולם עם ביצועים טובים יותר, זאת לדברי חוקרי יבמ. בתחילת השנה החוקרים הראו כי טרנזיסטורים המורכבים מננו-שפופרות פחמן יכולים לתפקד בתור מתגים מעולים בקנה מידה מולקולארי של פחות מעשרה ננומטרים – עובי הקטן פי עשרת אלפים משיערת אדם והקטן בחצי מהגדלים הרווחים בטכנולוגית הסיליקון המובילה כיום.  

הידיעה על המחקר